问：

为了稳定性，必须在MOSFET栅极前面放一个 100 Ω 电阻吗?

答：

简介

只要问任何经验丰富的电气工程师——如我们故事里的教授 Gureux——在 MOSFET 栅极前要放什么，你很可能会听到“一个约 100 Ω 的电阻。”虽然我们对这个问题的答案非常肯定，但人们仍然会问为什么，并且想知道具体的作用和电阻值。为了满足人们的这种好奇心，我们接下来将通过一个例子探讨这些问题。年轻的应用工程师 Neubean 想通过实验证明，为了获得稳定性，是不是真的必须把一个 100 Ω 的电阻放在MOSFET栅极前。拥有 30 年经验的应用工程师 Gureux 对他的实验进行了监督，并全程提供专家指导。

高端电流检测简介

图 1. 高端电流检测。

图 1 中的电路所示为一个典型的高端电流检测示例。负反馈试图在增益电阻 RGAIN 上强制施加电压 VSENSE。通过 RGAIN 的电流流过 P 沟道 MOSFET (PMOS)，进入电阻 ROUT，该电阻形成一个以地为基准的输出电压。总增益为

电阻 ROUT 上的可选电容 COUT 的作用是对输出电压滤波。即使PMOS的漏极电流快速跟随检测到的电流，输出电压也会展现出单极点指数轨迹。

原理图中的电阻 RGATE 将放大器与 PMOS 栅极隔开。其值是多少?经验丰富的 Gureux 可能会说：“当然是 100 Ω!”

尝试多个 Ω 值

我们发现，我们的朋友 Neubean，也是 Gureux 的学生，正在认真思考这个栅极电阻。Neubean 在想，如果栅极和源极之间有足够的电容，或者栅极电阻足够大，则应该可以导致稳定性问题。一旦确定 RGATE 和 CGATE 相互会产生不利影响，则可以揭开 100 Ω 或者任何栅极电阻值成为合理答案的原因。

图 2.高端电流检测仿真。

图 2 所示为用于凸显电路行为的 LTspice 仿真示例。Neubean 通过仿真来展现稳定性问题，他认为，稳定性问题会随着 RGATE 的增大而出现。毕竟，来自 RGATE 和 CGATE 的极点应该会蚕食与开环关联的相位裕量。然而，令 Neubean 感到惊奇的是，在时域响应中，所有 RGATE 值都未出现任何问题。

结果发现，电路并不简单

图 3.从误差电压到源电压的频率响应。

在研究频率响应时，Neubean 意识到，需要明确什么是开环响应。如果与单位负反馈结合，构成环路的正向路径会从差值开始，结束于结果负输入端。Neubean 然后模拟了 VS/(VP – VS) 或 VS/VE，并将结果绘制成图。图 3 所示为该开环响应的频域图。在图 3 的波特图中，直流增益很小，并且交越时未发现相位裕量问题。事实上，从整体上看，这幅图显示非常怪异，因为交越频率小于 0.001 Hz。

图 4. 高端检测电路功能框图。

将电路分解成控制系统的结果如图 4 所示。就像几乎所有电压反馈运算放大器一样，LTC2063 具有高直流增益和单极点响应。该运算放大器放大误差信号，驱动PMOS栅极，使信号通过 RGATE – CGATE滤 波器。CGATE 和 PMOS 源一起连接至运算放大器的–IN 输入端。RGAIN 从该节点连接至低阻抗源。即使在图 4 中，可能看起来 RGATE – CGATE 滤波器应该会导致稳定性问题，尤其是在 RGATE 比 RGAIN 大得多的情况下。毕竟，会直接影响系统 RGAIN 电流的 CGATE 电压滞后于运算放大器输出变化。

对于为什么 RGATE 和 CGATE 没有导致不稳定，Neubean 提供了一种解释：“栅极源为固定电压，所以，RGATE – CGATE 电路在这里是无关紧要的。你只需要按以下方式调整栅极和源即可。这是一个源极跟随器。”

经验更丰富的同事 Gureux 说：“实际上，不是这样的。只有当 PMOS 作为电路里的一个增益模块正常工作时，情况才是这样的。”

受此启发，Neubean 思考了数学问题——要是能直接模拟 PMOS 源对 PMOS 栅极的响应，结果会怎样?换言之，V(VS)/V(VG) 是什么? Neubean赶紧跑到白板前，写下了以下等式。

其中，

运算放大器增益为 A，运算放大器极点为 ωA。

Neubean 立刻就发现了重要项 gm。什么是 gm?对于一个 MOSFET，

看着图 1 中的电路，Neubean 心头一亮。当通过 RSENSE 的电流为零时，通过 PMOS 的电流应该为零。当电流为零时，gm 为零，因为 PMOS 实际上是关闭的，未被使用、无偏置且无增益。当 gm = 0 时，VS/VE 为 0，频率为 0 Hz，VS/VG 为 0，频率为 0 Hz，所以，根本没有增益，图 3 中的曲线图可能是有效的。

试图用 LTC2063 发现不稳定问题

带来这点启示，Neubean 很快就用非零的 ISENSE 尝试进行了一些仿真。

图 5.非零检测电流条件下从误差电压到源电压的频率响应。

图 5 为从 VE 到 VS 的响应增益/相位图，该曲线跨越 0dB 以上到 0dB 以下，看起来要正常得多。图 5 应该显示大约 2 kHz 时，100 Ω 下有大量的 PM，100 kΩ 下 PM 较少，1 MΩ 下甚至更少，但不会不稳定。

Neubean 来到实验室，用高端检测电路 LTC2063 得到一个检测电流。他插入一个高 RGATE 值，先是 100 kΩ，然后是 1 MΩ，希望能看到不稳定的行为，或者至少出现某类振铃。不幸的是，他都没有看到。

他尝试加大 MOSFET 里的漏极电流，先增加 ISENSE，然后使用较小的 RGAI N电阻值。结果仍然没能使电路出现不稳定问题。

他又回到了仿真，尝试用非零 ISENSE 测量相位裕量。即使在仿真条件下也很难，甚至不可能发现不稳定问题或者低相位裕度问题。

Neubean 找到 Gureux，问他为什么没能使电路变得不稳定。Gureux 建议他研究一下具体的数字。Neubean 已经对 Gureux 高深莫测的话习以为常，所以，他研究了 RGATE 和栅极总电容形成的实际极点。在 100 Ω 和 250 pF 下，极点为 6.4 MHz;在 100 kΩ 下，极点为 6.4 kHz;在 1 MΩ 下，极点为 640 Hz。LTC2063 增益带宽积 (GBP) 为 20 kHz。当 LTC2063 具有增益时，闭环交越频率可能轻松下滑至 RGATE – CGATE 极点的任何作用以下。

是的，可能出现不稳定问题

意识到运算放大器动态范围需要延伸至 RGATE – CGATE 极点的范围以外，Neubean 选择了一个更高增益带宽积的运放。LTC6255 5 V 运算放大器可以直接加入电路，增益带宽积也比较高，为 6.5 MHz。

Neubean 急切地用电流、LTC6255、100 kΩ 栅极电阻和 300 mA 检测电流进行了仿真。

然后，Neubean 在仿真里添加了 RGATE。当 RGATE 足够大时，一个额外的极点可能会使电路变得不稳定。

图 6.有振铃的时域图。

图 7.增加电流 (VE 至 VS) 后的正常波特图，相位裕量表现糟糕。

图 6 和图 7 显示的是在高 RGATE 值条件下的仿真结果。当检测电流保持 300 mA 不变时，仿真会出现不稳定情况。

实验结果

为了了解电流是否会在检测非零电流时出现异常行为，Neubean 用不同步进的负载电流和三个不同的 RGATE 值对 LTC6255 进行了测试。在瞬时开关切入更多并行负载电阻的情况下，ISENSE 从 60 mA 的基数过度到较高值 220 mA。这里没有零 ISENSE 测量值，因为我们已经证明，那种情况下的 MOSFET 增益太低。

实际上，图 8 最终表明，使用 100 kΩ 和 1 MΩ 电阻时，稳定性确实会受到影响。由于输出电压会受到严格滤波，所以，栅极电压就变成了振铃检测器。振铃表示相位裕量糟糕或为负值，振铃频率显示交越频率。

图 8.RGATE = 100 Ω，电流从低到高瞬态。

图 9.RGATE = 100 Ω，电流从高到低瞬态。

图 10.RGATE = 100 kΩ，电流从低到高瞬态。

图 11.RGATE = 100 kΩ，电流从高到低瞬态。

图 12.RGATE = 1 MΩ，电流从低到高瞬态。

图 13.RGATE = 1 MΩ，电流从高到低瞬态。

头脑风暴时间

Neubean 意识到，虽然看到过许多高端集成电流检测电路，但不幸的是，工程师根本无力决定栅极电阻，因为这些都是集成在器件当中的。具体的例子有 AD8212、LTC6101、LTC6102 和 LTC6104 高电压、高端电流检测器件。事实上，AD8212 采用的是 PNP 晶体管而非 PMOS FET。他告诉 Gureux 说：“真的没关系，因为现代器件已经解决了这个问题。”

好像早等着这一刻，教授几乎打断了 Neubean 的话，说道：“我们假设，你要把极低电源电流与零漂移输入失调结合起来，比如安装在偏远地点的电池供电仪器。你可能会使用 LTC2063 或 LTC2066，将其作为主放大器。或者你要通过 470 Ω 分流电阻测到低等级电流，并尽量准确、尽量减少噪声;那种情况下，你可能需要使用 ADA4528，该器件支持轨到轨输入。在这些情况下，你需要与 MOSFET 驱动电路打交道。”

所以……

显然，只要栅极电阻过大，使高端电流检测电路变得不稳定是有可能的。Neubean 向乐于助人的老师 Gureux 谈起了自己的发现。Gureux 表示，事实上，RGATE 确实有可能使电路变得不稳定，但开始时没能发现这种行为是因为问题的提法不正确。需要有增益，在当前电路中，被测信号需要是非零。

Gureux 回答说：“肯定，当极点侵蚀交越处的相位裕量时，就会出现振铃。但是，你增加 1 MΩ 栅极电阻的行为是非常荒谬的，甚至 100 kΩ也是疯狂的。记住，一种良好的做法是限制运算放大器的输出电流，防止其将栅极电容从一个供电轨转向另一个供电轨。”

Neubean 表示赞同，“那么，我需要用到哪种电阻值?”

Gureux 自信地答道：“100 Ω”。